浅述微电网继电保护的研究与应用

张俊彦，张利钦

（石家庄学院 机电学院，河北 石家庄 050035）

1 微电网的拓扑结构

微电网的拓扑结构如图1 所示，微电网由分布式电源（DG）配电源和储能单元连接到配电网络的电荷组成.分布式电源通过强大的电子接口连接到馈线，确保网络运行的灵活性和稳定性.微电网通过公共配电网络连接到公共连接点（PCC）.PCC 路径底部的变压器连接到10 kV 母线.总线上有3 个径向馈线，ABC 供电电压等级一般在10 kV 以下，馈线A 连接到不需要高质量电力的公共负载，BC 馈线承载的负载是敏感负载.母线室内安装了一个静态开关（SS），用于网络操作之间的切换.如果公共电网出现故障，干扰开关将立即启动，微电网将进入远程网络，为敏感负载提供持续供电.

图1 微电网的拓扑结构

微电网特殊性在于：1）微电网可以有效管理分布式发电.分布式电源通过电子电源接口连接到微电网.基于电子设备的分布式发电控制速度快，短路故障电流有限.2）微电网是一个控制和保护复杂小型发配电系统，以往的继电保护方法不太适合应用在微电网上[1]，必须使用新的保护方法.3）并网运行方式和常规分布式发电均接入公网，但PCC 微网的静态开关设置将微网对公网的影响降到最低.

2 不同运行模式下故障电流的特征

2.1 孤岛运行时的故障分析

在发生系统故障时，故障序列图的结构与分布式发电连接的位置有关.在典型的2 线顺序网络图中，逆变式分布式电源连接到PQ 控制，VF 型逆变式分布式电源连接到1 个或2 个不同的母线.当3 个或更多分布式电源连接到系统时，此分析也适用.

图2 是PQ 控制电源和VF 控制电源接入母线，出现单相短路故障时的复合时序网络图.图中I1与为两个控制站逆变电源输出电流的正串联，I2与为两种控制方式逆变电源电流输出的负串联，I0与为两个控制方式逆变式电源电流输出的零序电流；Zh是相应的负载电阻；XPQ、XVF分别为PQ 控制电源和VF 控制电源的电抗，UPQ、UVF分别为PQ 控制电源和VF 控制电源的电压；Zlinc为故障位置与微电源接口之间的对应电阻.相关的电气连接如（1）式所示，逆变器型电源的输出限制如（2）式所示：

图2 单相接地故障复合序网图

式中：PPQ、QPQ、IPQ分别表示PQ 控制电源的有功功率、无功功率和电流；Pref、Qref、Uref分别表示参考的有功功率、无功功率和电压；IPQmax、IVFmax分别表示流经PQ 控制电源和VF 控制电源的最大电流；UK1、UK2、UK0分别表示正序、负序、零序负载阻抗的电压.通过同时求解上述两个方程，可以得到相接地短路时的稳态响应.

两相短路和两相接地与基于时序网络图的解决方案类似.根据计算结果，VF 微控电源对功率因数和输出功率有较大的调整余量，电压和频率是恒定的.同时，消除了连接到电网的其他类型分布式发电引起的谐波等干扰.这有助于确保可靠的微电网电荷的负载，VF 控制的微电源输出的短路电流比较高，对保护的可靠性和识别具有很好的效果.其误差特征为：因为是PQ 控制的逆变电源在正常运行时向系统注入电源，而VF 控制的逆变电源用电源代替系统.因此，在发生错误时，VF 控制的逆变电源会显著增加注入系统的电流，其幅值由电源容量决定.相反，PQ 控制下的微电源的输出电流变化不大.在PQ 控制的分布式电源发生故障后，输出保护应考虑该特性，以确保保护的可靠性和灵敏度.

2.2 运行时的故障分析

分布式发电的电功率不是恒定的[2]，其特点是通过调节控制模块随时间变化.计算误差响应时如果微电网包含逆变式分布式电源，则电动势应包括与序列网络图和混合序列网络图相关的节点，如果连接到配电网络，同时作为配电系统的等效阻抗，消除了逆变式配电电源在并网运行中的暂时性误差.

当逆变式电源并入电网时，故障后的电值取决于故障位置、微电源和电网的相对位置.

1）当电网电源和微电源在一侧

如图3 所示，如果电网紧邻分布式电源，配电网容量远大于电网，因此故障电流主要由电网和短路电流提供.分布式发电比配电网络小得多.同时，分布式逆变电源的接入点电压比未接入电压要高，分布式逆变电源提供的短路电流比孤岛模式电流时间更短.

图3 配电网电源与微电源位于同一侧示意图

2）电源在故障点的两侧

如图4 所示，电网侧故障特征与常规辐射状电网相同，但仅包含逆变电网的微电源故障特征相同.故障特征为：由于电力电子的限流作用，逆变式分布式发电限制了输出短路电流的能力，保证了电力电子设备的安全.VF 控制下的分布式发电为微电网提供较少的功率，而PQ 控制下的分布式发电为系统提供更多的功率.对于故障特性未知的分布式PQ 逆变电源，应注重保护性能的可靠性.

图4 电源位于故障点两侧示意图

3 分布式发电与原有配电网络的配合问题

3.1 分布式电源接入对配电网一次重合闸的影响

分析连接分布式电源后重合闸的效果如图5 所示，图中S 为系统配电网，F 为故障点，K 为线路保护装置，L 为配电网线路.如果K1 范围内发生配网线路故障，该范围内的重合闸将开始断开，配电电源将形成配电孤岛，使得电网的同步出现问题，导致重合闸失去了从瞬间错误中恢复的能力，并且线路上也会出现冲击电流，影响分布式电源的运行.如果故障是永久性故障，则在设备被自动重合闸再次断开后，分布式发电系统继续向配电网供电.在这种情况下，当设备重新连接线路时，线路电流变得过高，在故障点造成严重的电流故障，增加了电力故障的范围.

图5 接入分布式电源的配电网线路

3.2 分布式电源的接入对配电网线路三段式电流保护造成的影响

配电系统中分布式电源的位置差异会造成配电系统的电流重新分布[3].在配电系统末端接入分布式电源后，如图6 所示，系统成为配电系统和分布式电源之间的双电源，图中LD 表示负载.在这种情况下，如果靠近分布式电源的F1 发生故障，线路保护装置P3 和P4 不会检测到线路故障，P1 和P2 继续从配电系统接收电能.P2 不影响分布式电源，可以可靠地排除线路故障；若故障发生在F2 点，P1 保护装置不影响分布式电源，可自动关断，但P2 接受自供电源的持续供电形成电力孤岛，是造成很多用户用电设备损坏的原因；如果F3 发生线路故障，则向系统电源和分布式电源提供短路电流.P3 将由系统的配电系统供电，线路故障可以可靠排除，但线路保护线路P1 和P2 将接收由供电电源提供的电流.如果分布式电源容量过高，可能发生P2 线路保护装置故障；如果F4 发生线路故障，P4 的最佳停止位置是单独工作能切断故障点，但如果分布式电源容量较大，则可能是P2 错误的切断.这样可能会影响线路保护决策，因此如果在线路末端并入分布式电源，应合理控制分布式电源的容量，以确保实现线路保护，设备可以正确断开.

图6 在配网线路末端并入分布式电源

在配电系统中间接入分布式电源，如图7 所示.如果故障发生在F1，保护装置P3 和P4 不影响分布式电源.P2 会继续运行，但P1 会影响分布式电源，降低保护装置的灵敏度.提供的电源越多，P1 保护装置就越不灵敏；如果故障发生在F2，由于P1 保护装置的电源主要由系统配电系统供电，但故障电流远小于组合分布式电源，因此P1 检测不到线路故障，导致P1 设备拒动；如果F3 出现故障，P2 和P3 都会正常工作，但P1 会遇到由供电电源提供的电流短路，导致P1 保护装置误动作，影响LD2 的正常用电.如果F4 有故障，P1会遇到供电电源提供的电流短路，导致线路被切断.因此，必须防止创建分布式电源接入，以免分布式电源容量过大，影响配电系统保护装置的正常运行.

图7 在配网线路中间段并入分布式电源

4 微电网继电保护方案

4.1 孤网条件下保护策略分析

微电网保护策略必须在微电网并网时消除对大型网络中各环节的影响，并满足微电网独立运行的保护标准.采用孤岛保护时要求逆变器不仅要能正常转换功率，还要能保护和断开反孤岛的效应.主要的保护策略是：1）发生故障时，保护策略不影响传统电网的保护；2）限制分布式电源的容量和接入位置，使配电网不发生变化[4]；3）使用短路限流器来限制电流，以尽量减少异常运行时功耗的影响.

4.2 如何检测孤岛

1）过压/欠压和高/低频检测法.当检测到逆变器输出功率不等于负载功率且电压幅值或频率变化达到孤岛检测确定的临界点时，表示发生孤岛，相关保护继电器跳闸，逆变器与电网断开.但是，如果逆变器的输出功率等于负载功率，电压幅值或频率没有明显变化，这种检测方法是无效的.

2）电压相位突变检测法.在正常电源连接操作期间，逆变器输出的电压和电流之间的相位保持相同.如果检测到突然的相位变化超过检测方法给出的临界值，则可以将其评估为孤岛.3）电压谐波检测法.当检测到逆变器端子间电压的总谐波失真大于预定的临界值时，可判断为孤岛现象.4）阻抗测量检测法.通过测量逆变器输出电路的阻抗变化来检测孤岛效应[5].这种方法可以通过功率干扰、信号注入率干扰和电抗插入等多种方式实现.

5）有源频偏检测法.当并网正常运行时，频率不会发生实质性变化，与电网分离时，逆变器输出电压的频率发生偏移，系统发生谐振负载的“自然”频率偏移.

6）滑差模式频率漂移检测法.该方法的原理是监测输出电流和连接到电网的逆变器电压之间的相位差作为频率的函数.在孤岛状态下，频率偏离正常值.在电网正常运行期间，频率处于额定点，逆变器以功率因数1 运行.当电网运行在异常状态时，频率处于非额定区域，相位差速度随频率变化的速率大于负载阻抗角的变化率.在正常情况下，电压和频率是稳定的，并且处于逆变器相位差响应曲线和负载阻抗角频率曲线的交点处.随着电压频率因反馈而变化，电流-电压相位差按照相位差响应曲线逐渐增大，最终达到一个新的稳态工作点.当工作点的频率超过高/低频保护的临界值时，可以检测到孤岛.

4.3 保护策略

微电网保护策略需要能够处理网络切换过程中发生的各种故障.当微电网系统中的逆变器将直流电转换为交流微电或其他基于逆变器的微电时，对微电网保护提出了重大挑战.

4.3.1 基于正向和反向阻抗装置的低压配电网继电保护

对于微网低压配电网，带分布式电源的供电单元配备正反向两个阻抗继电器.其中，输出线路故障采用正向阻抗继电器，无输出延时，低压母线故障采用反向阻抗继电器，输出延时0.5 s.非分布式电源供电单元配备正阻抗继电器进行距离保护，输出线路故障由正方向阻抗继电器无延时保护.

阻抗继电器采用过流启动、正序电压和极性记忆.此外，具有偏移阻抗特性的阻抗效应主要是由于400 V电压电平下的阻抗角小.

1）当前引导组件必须满足：I＞Iset，Iset为继电器设定的动作电流值；

正方向设置阻抗继电器值，避免最大负载.当继电器在线路相间闭合时，继电器立即跳闸，断路器快速断开.

反方向设置阻抗继电器值，使高压侧快断保护端子不短路或高压侧跨母线短路.该继电器的恒定值很小，以防止在高压侧短路时发生故障.当低压母线短路时，包括分布式电源单元在内的反向继电器动作，要关闭分布式电源的外部电源，在0.5 s 延迟后打开断路器，即使阻抗继电器有另一个反向.当低压线路或变压器或高压线路部分短路时工作，但由于0.5 s 的延迟，输出不工作，不能断开线路断路器.故障解决后，继电器将自动返回.

4.3.2 基于电压扰动的保护

如果微网与主网分离进行孤岛运行，短路电流远小于并网时的短路电流，不易检测[6].因此，使用基于abc、dq0 的转换方法来检测微功率输出电压扰动，确定是否发生故障，并确定故障类型.当检测逆变器出口端的三相电压时，继电器将abc 三相坐标系的附加项通过转换公式转换为da 项.其转换公式为：

式中：Udr、Uqr分别为转换到两相静止坐标系中的值；UA、UB、UC分别为A、B、C 三相相电压.

通过检测Uqr信号然后将其与给定的参考信号Uqref作比较，其中参考信号是周期性更新，得出扰动电压UDIST，通过UDIST的值来判断故障类型.扰动电压UDIR1、UDIR2的计算公式为

一般情况下，Uqref的变化会导致UDIR2接近于0.当发生短路时，UDIR2会发生显著变化.在三相短路的情况下，UDIR2为直流信号，比较稳定.在发生两相故障时，UDIR2由直流电压信号和摆幅信号组成.单相接地时，UDIR2是摆动信号，该信号是从0 到最大值变化的摆动.通过将这些量与给定的正常电压值进行比较，可以确定是否发生了故障以及故障类型.

5 结论

微电网保护的继电保护方案，主要针对微电网保护的难点、不同运行模式和不同分布式电源的短路差异等问题，需要能快速相应切除故障点.本研究分析了微电网保护策略，提出了一种在微电网孤岛运行中具有短路输出特性的新型微网保护方案，即分布式电源供电单元装有正向和反向阻抗继电器，继电器接受过电流并运行，用于保护输出线路短路和保护微电源本身，指示不同类型的故障.